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Fachhochschule Nordhausen
Kunststoffe in der Elektronik, Kunststoffe in der Elektronik, Elektrotechnik und OptikElektrotechnik und Optik
Allgemeine Einführung und Vorstellung einesProjektbeispiels der FH Nordhausen:
- Optisch-elektrischer Kombinationsleiter
Vortrag zum 57. Treffen des Sächsischen Arbeitskreises Elektroniktechnologie
an der Fachhochschule Nordhausen
Diplom-Chemikerin Christina Kloß
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GliederungGliederung
� Allgemeine Einführung
� Wesentliche Anforderungen an Kunststoffe in Elekt ronik,Elektrotechnik und Optik
� In Elektronik und Elektrotechnik eingesetzte Kunsts toffe
� Einfluss von Additiven und Füllstoffen
� Vorstellung optisch-elektrischer Kombinationsleiter - CONDUS
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EinfEinf üührunghrung� weltweite jährliche Produktion von Kunststoffen:
z. Z. ca. 200 bis 250 Mio. t,� in Deutschland zwischen 2007 und 2009 Produktion v on
17 und 20 Mio. t,� ca. 7,4 % der produzierten Kunststoffe – Anwendung i n Elektronik
und Elektrotechnik
Quelle: www.plasticseurope.org/documents/document/ 20100803132409-grafiken_zur_wpk_2010.pdf
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Was sind Kunststoffe?Was sind Kunststoffe?
� Kunststoffe sind Werkstoffe, die künstlich oderdurch Abwandlung von Naturprodukten entstehen und aus organischen Makro-molekülen aufgebaut sind.
Makromoleküle = Riesenmoleküle, bei
denen viele kleine Moleküle (Monomere
> 1.000 Stück) zu einem großen Polymer
verknüpft sind – mittlere Molmassen von
104 bis 10 6 g/molPC-Granulat
Stäbchenmodell von PPaus Wikipdia.org/wiki/Kunstsoffe
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� Kunststoffe werden nach dem molekularen Aufbau, dem Verhalten beim Erwärmen/Schmelzen und den mechanischen Eigenschaft en in folgende Gruppen eingeteilt:
Einteilung der KunststoffeEinteilung der Kunststoffe
Thermoplaste (amorph Plastomere) =verknäuelte Faden-moleküle, spröde und harte Werkstoffe, thermoplastisch formbar
Duroplaste (amorph - Duromere) = Raumnetzmoleküle mit engmaschiger, starker chemischer Verknüpfung, Werkstoffe hart und unlöslich, nicht schmelz- und schweißbar,Elaste (Elastomere) =weitmaschiger, schwächer vernetzt, Makromoleküle stärker verknäuelt und daher dehnbarer
Thermoplaste (teilkristallin) = unverzweigten gleichartigen Ketten ist eine Teilkristallisation als dichte Packung zwischen amorphen Bereichen möglich, höhere Zug-festigkeit, Beständigkeit, thermoplastisch formbar
z. B. PP, PTFE, PE
z. B. PMMA, PC
z. B. MF,Silicon, PUR
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Vorteile von KunststoffenVorteile von Kunststoffen� Siegeszug der Kunststoffe - wegen ihrer Modifizierba rkeit
(Werkstoffe nach Maß) ���� breites Eigenschaftsspektrum, anwendungsspezifisch anpassbar,
� relativ geringes Gewicht (niedrige Dichte) Vergleich mittlere Dichten: Kunststoffe: ca. 1 bis 1 ,2 g/cm³
Glas: ca. 2,5 g/cm³Eisenwerkstoffe: 7,8 g/cm³
� Isolator (elektrisch, Wärme, Schall)� Beständigkeit gegen Korrosion � preisgünstig, relativ energie-
günstig und vollautomatisiertverarbeitbar (leicht formbar, färbbar, metallisierbar)
� recyclebar
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Nachteile von KunststoffenNachteile von Kunststoffen� im Vergleich zu anderen Werkstoffen geringere mecha nische,
thermische und Formfestigkeit� werden von Licht, Wärme und Sauerstoff beeinflusst (Alterung)� meist brennbar� schwierig auszubessern, Reparatur lohnt sich nur se lten � Abfallproblematik (große Menge von Kunststoffabfäll en und deren
unterschiedliche Zusammensetzung, zudem besitzen vi ele Kunststoffe eine große Umweltbeständigkeit)
vorher
Ausfall bei 150°C 6hBrennbarkeit von
PE und PS
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Wesentliche AnforderungenWesentliche Anforderungen an Kunststoffe in Elektronik, an Kunststoffe in Elektronik,
Elektrotechnik und Optik Elektrotechnik und Optik -- 11
Mechanische Eigenschaften� Flexibilität,
� Steifigkeit,
� gute Schlag- und Kratzfestigkeit,
� hohe Reißdehnung,
� Dimensionsstabilität …
Elektrische Eigenschaften� gutes bis ausgezeichnetes Isolationsverhalten
(Durchgangs- und Oberflächenwiderstand),
� elektrisches Festigkeitsverhalten (Kriechstrom-und Durchschlagsfestigkeit),
� dielektrisches Verhalten,
� elektrischer Leiter …
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Wesentliche AnforderungenWesentliche Anforderungen an Kunststoffe in Elektronik, an Kunststoffe in Elektronik,
Elektrotechnik und Optik Elektrotechnik und Optik -- 22
Verarbeitungseigenschaften� niedrige Temperaturen, wenig
Energie
� geringe Kosten
� Spritzguss / Extrusion
Optische Eigenschaften
� Transmission, Transparenz, Trübung,
� Brechzahl, Abbe-Zahl
� Reflexionsgrad …0
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40
50
60
70
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100
200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Welllenlänge in nm
Tra
nsm
issi
on in
%
Transmissionskurve transparentes TPU
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Wesentliche AnforderungenWesentliche Anforderungen an Kunststoffe in Elektronik, an Kunststoffe in Elektronik,
Elektrotechnik und Optik Elektrotechnik und Optik -- 33
Beständigkeit� gegen UV-Strahlung� chemische
Beständigkeit …
Thermische Eigenschaften� Gebrauchstemperaturen, Wärmeform-
beständigkeit
� thermische Ausdehnung,
� Wärmeleitfähigkeit
� Brennbarkeit und Brandverhalten …
Andere Eigenschaften� Dichte� Wiederverwert-
barkeit …
Dauergebrauchtemperaturen über 150°CPVDF, PEEK, PSU, PPS, PEI …
Ersatz für Metalle oder Keramik ���� Kostenersparnis
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• teilkristallin, thermoplastisch, unterschiedliche Dichte (HDPE, LDPE),
• weich bis steif, hohe Zähigkeit und Reißdehnung,• sehr gute elektrische Eigenschaften, gute Beständig keit• Isolierung von Fernmelde- und Hochspannungskabel,
Isolationsrohre, Verteilerdosen, Kabelbinder, Haube n für E-Motoren
PE
• amorph, flexibel durch Weichmacher, Eigenschaftseinstellung entsprechend Anforderungen,
• gute Abriebfestigkeit, gute elektrische Eigenschaften
• Kabelisolierungen und -ummantelungen, Stecker, Schrumpfschläuche, Isolierbänder
PVC
Eingesetzte Kunststoffe Eingesetzte Kunststoffe -- StandardStandard ––Thermoplasten 1Thermoplasten 1
Isolierbänder der Firma Coroplast
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• amorph, ca. 24 % AN, steif, höher schlagzäh als PS, hohe Oberflächenhärte, sehr gute elektrische Eigenschaften
• Gehäuseteile, Bedienknöpfe, Abdeckungen, Streuscheiben
SAN
• teilkristallin, thermoplastisch, relativ fest und steif, extrem gute Chemikalien-beständigkeit, kaum Spannungsrissbildung,elektrische Eigenschaften wie PE
• Trafo- und Batteriegehäuse, Folien, Draht- und Kabelummantelungen, Steck-dosen und Schalter, Antennenzubehör
PP
Eingesetzte Kunststoffe Eingesetzte Kunststoffe -- StandardStandard --Thermoplasten 2Thermoplasten 2
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Eingesetzte Kunststoffe Eingesetzte Kunststoffe -- Technische Technische KonstruktionskunststoffeKonstruktionskunststoffe 11
• amorph, thermoplastisch, sehr steif, fest, spröde, harte Oberfläche, glasklare Transparenz, witterungsbeständig, spannungsrissempfindlich
• Gehäuse, Lichtwellenleiter, Substrat für optische Speicher, Flachbildschirme, Photovoltaik-Elemente
PMMA
• amorph, thermoplastisches Polyester, • transparent, sehr steif, fest, aber zäh,
gute Wärmeformbeständigkeit und Flammenwidrigkeit, mäßig gute Isoliereigenschaften
• Spulenkörper, Gehäuse, Schalter, Stecker, Substrat für optische Speicher, Lichtwellenleiter
PC
Lichtwellenleiterstränge aus PMMA
Gehäuse aus PC
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• teilkristallin, sehr gute Zähigkeit, große Oberfläc henhärte, gute Abriebfestigkeit, gute Wärmeformbeständigkeit,relative hohe Wasseraufnahme, elektrische Eigenscha ften wie PE
• Spulenkörper, Steckverbinder, Taster, Gehäuse für Leitungsschutz- und Fehlerschutzschalter, abriebfest e Kabelüberzüge etc.
PA 6 / PA 66
Eingesetzte Kunststoffe Eingesetzte Kunststoffe -- Technische Technische Konstruktionskunststoffe 2Konstruktionskunststoffe 2
Weitere Werkstoffe z. B. ABS, POM, PPO, PBT, PET, TEP …
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Eingesetzte Kunststoffe Eingesetzte Kunststoffe -- Hochleistungskunststoffe 1Hochleistungskunststoffe 1
• teilkristallin, sehr reaktionsträge ���� hohe Beständigkeit, nicht entflammbar, relativ weich,bestes Gleit- und Antihaftverhalten
• sehr hohe Wärmestandfestigkeit (kurzzeitig bis300 °C), hervorragende elektrische und dielektrische Eigenschaften
• Isolier- und Mantelwerkstoff, Wafer Carrier, Transistorsockel, Isolatoren in der Starkstrom-und HF-Technik, Schrumpfschläuche für elektrische Bauteile
Fluor-polymere wiePTFE, FEP,
PVDF
• amorphe Thermoplast, sehr hohe Form-beständigkeit in der Wärme, Dauereinsatzbis 190 °C
• steif, hart und zäh,• glasklar, gelbstichig bis bernsteinfarben• hohe Hydrolyse- und Chemikalien-
beständigkeit, günstiges Brandverhalten• Teile für Leitungsschutzschalter, Schalter,
Stecker, Schaltungsträger, Spulenkörper, Ummantelungen von Sicherungen, Chip Carrier
PSU
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Eingesetzte Kunststoffe Eingesetzte Kunststoffe -- Hochleistungskunststoffe 1Hochleistungskunststoffe 1
• Elastomere bzw. duroplastische Polymere mit Grundgerü staus alternierenden Silicium- und Sauerstoffatomen
• hoch temperaturstabil, gut kältebeständig• z. T. sehr gut transparent, flexibel, dämpfungsarm, • hohe Beständigkeit gegenüber Bewitterung, Ozon und UV-
Strahlung• hohe Durchschlagsfestigkeit und Lichtbogenfestigkei t• Eigenschaften sind über weiten Temperaturbereich na hezu
konstant• Anwendung zum Vergießen von LEDs, optische Lichtwe llen-
leiter zur Integration auf Leiterplatten, Kabelgarni turen in der Hochspannungstechnik, Kabelisolation und -mäntel …
Silicon
Weitere Werkstoffe z. B. PEEK, LCP, PEI, OLED …
n
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Einfluss von Additiven und FEinfluss von Additiven und F üüllstoffen 1llstoffen 1
� Additive und / oder Füllstoffe ���� Ausweitung der Einsatzmöglichkeiten
� Ziele dabei ���� gezielte Veränderung oder Erzeugung bestimmter Eigenschaften
���� Senkung der Materialkosten
� Veränderung der mechanischen Eigenschaften���� Zugabe von Füllstoffen zur Veränderung der Zähigkei t,
Festigkeit, Steifigkeit, Kriechverhalten ���� Additive = Mineralien wie Talkum, Glaskugeln oder
Fasern (Glas- oder Kohlefasern) ���� Anstieg E-Modul, Senkung der Bruchdehnung
���� Zugabe von fein verteilten Elastomerpartikeln ����
Senkung E-Modul, Erhöhung Flexibilität
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Einfluss von Additiven und FEinfluss von Additiven und F üüllstoffen 2llstoffen 2
0
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0,8 1,8 2,8 3,8 4,8 5,8 6,8 7,8
Füllstoffgehalt
mec
hani
sche
Eig
ensc
hafte
n
BruchdehnungE-Modul
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Einfluss von Additiven und FEinfluss von Additiven und F üüllstoffen 3llstoffen 3
� Verarbeitungshilfsmittel���� für schnellere und kostengünstigere Verarbeitung
���� Fließhilfsmittel - gezielte Beeinflussung der Verarbeitungsviskosität (Viskositätserhöhung –MgO, synthetische Kieselsäure; Viskositäts-erniedrigung – epoxilierte Fettsäuren)
���� Keimbildner - Erhöhung Kristallisationsgeschwindigkeit und –grad in teilkristallinen Thermoplasten (Verkürzung der Spritz-gusszeiten, niedrige Nachkristallisation; feinkörni ge Stoffe = Talkum, Kaolin synthetische Kieselsäure)
���� Schmiermittel - Erhöhung der inneren Gleitfähigkeit bei der Formgebung (Fließverbesserung, Absenkung Haftung zw ischen Kunststoff und Metallform; Kohlenwasserstoffe, Carbonsäureester, Alkohole, Ketone aber auch Metall salze etc.)
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Einfluss von Additiven und FEinfluss von Additiven und F üüllstoffen 4llstoffen 4� Stabilisierung
Verzögerung bzw. Verhinderung der Alterung ���� UV-Lichtschutzmittel – durch UV-Licht Farbveränderungen oder
Abfall der mechanischen Eigenschaften möglich; eing esetzt werden UV-Absorber (wandeln UV-Strahlung in Wärme um, z. B. Ruß, Benzophenone, Cyanacrylate) und Quencher (Löscher, leiten Photoenergie ab, Nickelchelate)
���� Antioxidantien – Verhinderung des oxidativen Abbaus (z. B. aromatische Amine oder Thioester – Abfangen von Radik alen, Umwandlung von Peroxiden)
� FlammenschutzmittelBrandverhinderung bzw. Verzögerung der Brandausbrei tung���� halogenhaltige Flammenschutzmittel – Bildung von
Halogenradikalen, die in Radikalkettenmechanismus d es Brandes eingreifen
���� phosphorhaltige Flammenschutzmittel – begünstigen Verkohlungen an brennenden Substratflächen (Schutzschicht)
���� anorganische Flammenschutzmittel – Wärmeentzug, Oxidschutzschicht (Aluminiumhydroxid, Magnesiumhydroxid)
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Der optischDer optisch --elektrische Kombinationsleiterelektrische KombinationsleiterDE 103 42 370DE 103 42 370
elektrischer Leiter(z. B. Kupferdraht -vollvolumig bzw. Litze)
optischer Mantel (ein- oder mehrschichtig, flexibel, isolierend)
Defekt –Störlicht-bogen
optisch-elektrischer Wandler mit Auswerteeinheit
Querschnitt des CONDUS
optischer Mantel(lichtleitender Teil und Claddingschichten)
elektrischer Leiter
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Untersuchungen zur LichtdurchlUntersuchungen zur Lichtdurchl äässigkeit ssigkeit einschlieeinschlie ßßlich Simulationlich Simulation
Lichtüber-tragung am CONDUS
Lichtübertragung am Vormuster aus Siliconelastomer mit FEP-Mantel (Länge ca. 10 m, hohe Flexibilität)
Simulation ergab, dass Lichtausbreitung im CONDUS prinzipiell möglich ist.
Claddingschichten im lichtleitenden System ermöglichen bei idealen Leiterverhältnissen eine sehr verlustarmeLichtausbreitung durch Totalreflexion
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StStöörlichtbogenuntersuchungen rlichtbogenuntersuchungen –– spektrale spektrale Messungen / Messungen / DetektionDetektion
Lichtbogen-erzeugung amCONDUSCONDUS mit 25 V und ca. 7 A, spektrale Messungen des Lichtbogensignals
Lichtbogenstartimpuls am Wandlerausgang mit Sättigungszustandt = 1,06ms und Umax= 5,00V
Optisch-elektrischer Wandler mit 4 Photodioden, ringförmig am Leiterendepositioniert
Forschungsmuster (gemeinsame Entwicklung mit CIS gGmbH)
Lichtbogensignal in Luft (grün) und am CONDUS (magenta)
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ÜÜbertragung optischer Signale am CONDUSbertragung optischer Signale am CONDUS
Kombinationsleiter aus gelitztemKupferdraht mit Siliconelastomer-Mantel
beaufschlagt mit Ue = 5 V Licht der Wellenlänge λ = 850 nm
Empfangsamplitude mit MaximumUa = 5 V (auch bei Leitungsknick 90°)
optischer Sender mit 4 VCSEL-Dioden
optischer Empfänger mit 4 Photodioden
Momentan weitere Werkstofftests zur Verbesserung der Übertragungseigenschaften und der Temperaturbeständigkeit!
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Literatur / QuellenLiteratur / Quellen
• Weiß, C.: Kunststoffe in der Elektrotechnik. Saulgau: EugenG. Leuz Verlag – 2005.
• Mair, H. J.; u. a.: Kunststoffe in der Kabeltechnik. Renningen-Malmshaim: expert-Verlag – 1999.
• Kaiser, W.: Kunststoffchemie für Ingenieure. München, Wien: Carl HanserVerlag – 2006.
• Franck, A.: Kunststoffkompendium. Würzburg: Vogel Verlag – 2000.• Ehrenstein, G.: Polymer-Werkstoffe. München: Carl Hanser Verlag - 1999. • Domininghaus, H.; u. a.: Kunststoffe und ihre Eigenschaften. Berlin,
Heidelberg, New York – 2005• Oberbach, K.; u. a.: Saechtling – Kunststofftaschenbuch. München, Wien:
Carl Hanser Verlag – 2004.• Hellerich, W.; u. a.: Werkstoff-Führer Kunststoffe: München, Wien: Carl
Hanser Verlag – 2004.• Stoeckhert; Woebcken, W.; u. a. : Kunststoff Lexikon; München, Wien: Carl
Hanser Verlag – 1998.• www.plasticseurope.org
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Vielen Dank!
Dipl.-Chem. Christina KloßProjektgruppe Prof. Dr.-Ing. Matthias ViehmannFH NordhausenWeinberghof 499734 NordhausenTel. 03631-420468E-Mail: kloss@fh-nordhausen.de